EP1298785A1 - Dispositif de commande d'un moteur à commutation électronique - Google Patents

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EP1298785A1
EP1298785A1 EP02292267A EP02292267A EP1298785A1 EP 1298785 A1 EP1298785 A1 EP 1298785A1 EP 02292267 A EP02292267 A EP 02292267A EP 02292267 A EP02292267 A EP 02292267A EP 1298785 A1 EP1298785 A1 EP 1298785A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
switching
encoder
signals
control device
Prior art date
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Granted
Application number
EP02292267A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP1298785B1 (fr
Inventor
Pascal Desbiolles
Christophe Nicot
Achim Friz
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NTN Europe SA
Original Assignee
Societe Nouvelle de Roulements SNR SA
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1298785A1 publication Critical patent/EP1298785A1/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D15/00—Steering not otherwise provided for
    • B62D15/02—Steering position indicators ; Steering position determination; Steering aids

Definitions

  • the invention relates to a device for controlling a switching motor electronics comprising P phases and N pairs of poles, a method of use of such a device and a bearing incorporating the encoder and the sensor of such a device. device.
  • switching motors electronics or brushless motor, can be used to control the rotation of a mechanical organ in a large number of applications.
  • a particular example of such an application is assistance to the management of motor vehicles by an electric power steering system.
  • Document FR-2 749 452 discloses a control device of an electronically commutated electric motor that makes it possible to overcome some of the torque faults associated with switching the current of a phase to another.
  • Such a control strategy therefore requires an additional sensor giving a high resolution position in addition to the one controlling the switching.
  • the invention aims in particular to solve these drawbacks by proposing a switching device comprising a two-track coder movable in rotation and a single fixed rotating sensor which is able to deliver on the one hand current switching signals in the phases and secondly high resolution position signals for current control feeding the phases, and with a resolution fine enough to avoid motor torque modulations.
  • the invention proposes a method of using such a device.
  • control device in which the control signals enable, in function of a predetermined switching logic, to actuate the two by two switches alternately, the passage of the actuation of two switches to the following two being performed at each detection of a electrical pulse of the C signal.
  • the invention relates to a device for controlling a switching motor electronic 1 or brushless motor comprising P phases.
  • This type of motor typically comprises a rotor 2 carrying N pairs of poles magnetic North / South and a stator 3 carrying P coils B1-B3 formed respectively of a phase winding, the rotor 2 being rotated by known way by controlling the power supply in the P windings of phases.
  • FIG. 1 is a block diagram of a device for control of such a motor 1 to three phases and a pair of poles.
  • the device comprises a circular multipolar encoder 4 intended to perform, together with the rotor 2, a plurality of revolutions around its axis of rotation.
  • the encoder 4 comprises a main track 4a and a switching track 4b comprising 2 * P * N singularities 4b1-4b6 angularly dividedparts, the tracks 4a and switching 4b are arranged concentrically on the encoder 4.
  • the encoder 4 is formed of a magnetic ring multipole on which is magnetized a plurality of pairs of North and South poles 5 equidistributed with a constant angular width so as to form the Main tracks 4a and 4b switching, a magnetic singularity 4b1-4b6 of the switching track 4b being formed of two pairs of poles which are different from others.
  • the tracks main 4a, disposed towards the inside of the ring, and switching 4b, disposed towards the outside of the ring, comprise 24 pairs of poles.
  • the pairs of poles 5 of the switching track 4b are in phase advance of a value ⁇ , for example equal to one eighth of a period, compared to those of the main track 4a.
  • the switching track 4b comprises 6 singularities 4b1-4b6 magnetic spaced from two pairs of poles from each other.
  • Each singularity is formed of two pairs of poles 5, the width of the poles being arranged so that they are respectively out of phase by ⁇ , 0, - ⁇ and 0 by relative to the corresponding poles of main runway 4a.
  • each pulse of the signal C corresponds to the detection of a phase shift reversal between the main track 4a and the switching track 4b.
  • the control device further comprises a fixed sensor 6 arranged in look and distance from air gap of the encoder 4.
  • the sensor 6 comprises at least three sensitive elements of which at least two are positioned next to the main track 4a and at least one is positioned opposite the switching track 4b.
  • the sensitive elements are chosen from the group comprising Hall effect probes, magnetoresistors, giant magnetoresistances.
  • the sensor 6 used is capable of delivering two electrical signals S1, S2 periodic quadrature through sensitive elements arranged next to the main track 4a and an electrical signal S3 via sensitive elements arranged opposite the switching track 4b.
  • sensors 6 comprising two sensitive elements that are able to to deliver the signals S1 and S2 are also known.
  • the senor 6 further comprises an interpolator, for example of the type described in document FR-2 754 063 issued by Applicant, to increase the resolution of the output signals.
  • the sensor 6 can be integrated on a silicon substrate or equivalent by example AsGa, so as to form an integrated and customized circuit for specific application, circuit sometimes referred to as ASIC to make reference to the integrated circuit designed partially or completely according to needs.
  • the encoder 4 can be formed of a metal or glass target on which the tracks of reference and switching have been etched so as to form an optical pattern analogous to the multipole magnetic motif set out above, the elements Sensors are then formed of optical detectors.
  • the control device further comprises a switching circuit 7 of the currents in the phase windings of the motor 1.
  • the switching circuit 7 comprises 2 * P * N switches T1-T6, for example each formed of a MOSFET-type field effect transistor operating at 20 kHz, which are arranged in a bridge so as to feed the windings of phases appropriately.
  • the 2 * P * N switches T1-T6 can be operated two by two next 2 * P * N possible states, the transition from one state to another being controlled by the detection of one of the 2 * P * N pulses TP1-TP6 of the C signal.
  • the device for switching 7 includes 6 switches T1-T6 which allow to feed the three phase windings with respectively a current I1, I2 and I3, I1 + I2 + I3 being equal to 0.
  • the current setpoint I * can be issued for example from a loop of speed control of the rotor 2, a control loop in position of the rotor 2 or a measurement of the torque to be applied by the rotor 2 on the mechanical organ.
  • the setpoint I * is fed into an electronic circuit 9 which, from this setpoint, introduces a modulation of the setpoint Iref according to the position of the rotor resulting from the signals A and B, this modulation being of amplitude depending on I * and in phase opposition with respect to intrinsic torque modulation to the motor 1, in order to obtain a useful torque of the motor 1 without modulation.
  • control circuit 8 comprises a regulation loop comprising a regulator 10, for example of the PID type (proportional integral derivative), a variable width control (PWM) 11 providing a square wave at 20 kHz whose duty cycle is controlled by the regulator 10 and a comparator 22 comparing Im to Iref from the circuit electronic 9.
  • a regulator 10 for example of the PID type (proportional integral derivative)
  • PWM variable width control
  • the regulation loop makes it possible, from Iref, to modulate the current in the phase windings as a function of the position of the rotor 2 of so as to obtain a motor torque constantly equal to the setpoint I *.
  • the control circuit 8 can be realized in the form of a single microprocessor 12 incorporating at least one switching logic of the circuit 7 which determines the sequence of the openings / closures of the different switches T1-T6.
  • the regulation loop can be implemented in analog form.
  • control circuit 8 comparing the current Im supplying the motor to the current setpoint Iref, modulates the current width and duration the switching signals through a logical function AND 13.
  • the modulated switching signals in width and duration selectively closing two switches selected in the logic of switching so as to supply the two phase windings corresponding with the regulated current Im.
  • Phase switching times may be provided during detection the rising or falling edge of the TP1-TP6 pulse.
  • the rising edge is used in one direction of rotation and the falling edge in the other direction.
  • Figures 4a and 4b show, in the context of the embodiment shown in FIG. 1, a switching logic of the coils, the sequencing of the switches T1-T6 and the current I1-I3 in the corresponding phases, respectively for rotation of the rotor 2 counterclockwise and hourly.
  • the positions of the stator field are traveled according to the order b, a, f, e, d, c, b, etc ... with passage from one to the other of these positions by respectively detecting pulses TP4, TP3, TP2, TP1, TP6, TP5, TP4, etc ...
  • the switching logic is performed so that the rotor field is out of phase with the stator field angle between 60 ° and 120 ° so as to optimize the torque provided by the motor 1.
  • the signals A, B representative of the position of the rotor are used to measure the phase shift between the zero crossing of forces against electromotive motor 1 and the passage of reference pulses TP1-TP6.
  • This phase shift value can be stored in a memory type EEPROM or flash of the control circuit 8 so, by registration, to allow detecting TP1-TP6 pulses at the desired switching positions.
  • a method of using a controller is described below further comprising initialization means, for example integrated in the control device 8, the position of the rotor 2 making it possible to adapt the switching signals in the desired direction of rotation for the rotor 2.
  • this method includes a procedure of initializing the position of the rotor 2 which comprises the steps envisaging first select a switching logic rotating the field stator in a sense.
  • control circuit 8 is driven according to the first state of this logic to operate two switches T1-T6 for a given period of time to power two phases of the motor with a current linit sufficient to implement Rotating the rotor 2.
  • the time can be typically 30 ms and the current linit must be chosen, for example by simulation, for, depending on the application considered, allow rotation of the rotor 2.
  • the time can be optimized according to the inertia of the system.
  • the determination of the case is made by analysis in the circuit of command 8 of the signals A, B.
  • the first two cases do not allow to initialize the position of the rotor 2 because the linit initialization current has no effect (stator and rotor fields) in opposition of phase) either the rotor and stator fields will cross each other not when scrolling the states of the switching logic.
  • the rotor field is initially in P1 position (see Figure 5b) and the switching logic induces anti rotation time of the stator field.
  • the first state of this switching logic place the stator field in (a) which causes the rotation of the rotor 2 in the clockwise under the action of the torque induced by the angle formed between the fields rotor and stator.
  • the second state of the switching logic (position b) induces a rotation of the rotor 2 in the same direction to the position P2 (see Figure 5c).
  • the third state of the switching logic induces the stator field (c) which is in phase advance with respect to the P2 position which leads to a reversing the direction of rotation of the rotor 2.
  • n-2 ie position (a)
  • n-3 ie position (a)
  • the initialization of the position of the rotor 2 allows, during the operation of the control device, to select the switching logic according the desired direction of rotation for the rotor 2, said direction S being injected into the circuit order 8.
  • this procedure makes it possible to select the switching logic in depending on the desired direction of rotation for the rotor 2 while keeping a phase shift optimum between the stator and rotor fields.
  • the encoder 4 is associated with the rotating ring 14 of a bearing 15 and the sensor 6 is associated with the fixed ring 16 of said bearing.
  • the invention proposes a bearing 15 integrating the encoder 4 and the sensor 6 of the control device, said bearing being able to ensure the rotation of the rotor 2 or that of a member rotated by the rotor 2.
  • the encoder 4 can be associated with the rotating ring 14 via a annular armature 17 on which the encoder 4 is overmolded.
  • FIG. 6 represents an embodiment of the association of the sensor 6 with the fixed outer ring 16 of the bearing 15.
  • the sensor 6 is associated with a support 18, for example of PCB type, carrying on the one hand the ASIC 19 and other part of the input / output connector 20 of the sensor 6.
  • the ASIC 19 is positioned so that the sensitive elements are opposite and at a distance of encoder tracks 4.
  • the input / output connector 20 is positioned in a housing 21 extending radially to the bearing 15.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de commande d'un moteur à commutation électronique (1) comprenant P phases et N paires de pôles (5), ledit dispositif comprenant : un codeur multipolaire circulaire (4) comprenant une piste multipolaire principale (4a) et une piste multipolaire de commutation (4b) comprenant 2*P*N singularités (4b1-4b6) équiréparties angulairement ; un capteur fixe (6) apte à délivrer des signaux digitaux A, B carrés en quadrature et C sous forme de 2*P*N impulsions (TP1-TP6) par tour du codeur ; un circuit de commutation (7) comportant 2*P*N interrupteurs (T1-T6) ; un circuit de commande (8) du circuit de commutation (7) qui : à partir du signal C fournit des signaux de commutation des interrupteurs (T1-T6); et à partir des signaux A, B et en fonction d'une première consigne de courant (I*) définit une deuxième consigne de courant (Iref) qui pilote le courant (Im) alimentant les enroulements de phase du moteur (1). <IMAGE>

Description

L'invention concerne un dispositif de commande d'un moteur à commutation électronique comprenant P phases et N paires de pôles, un procédé d'utilisation d'un tel dispositif ainsi qu'un roulement intégrant le codeur et le capteur d'un tel dispositif.
Du fait de leur puissance massique importante, les moteurs à commutation électronique, ou moteur brushless, peuvent être utilisés pour commander la rotation d'un organe mécanique dans un grand nombre d'applications.
Un exemple particulier d'une telle application est l'assistance à la direction des véhicules automobiles par un système de direction assistée de type électrique.
Dans le cadre de son application, il est nécessaire de commander précisément la commutation du courant dans les phases de ces moteurs afin d'obtenir un couple qui soit optimal et égal à une consigne avec le moins de modulations possibles.
Pour ce faire, il est connu d'utiliser un capteur comprenant trois éléments sensibles disposés en regard d'un codeur comportant N paires de pôles, ledit codeur étant mis en rotation par le moteur.
Dans le cas d'un moteur triphasé, en prévoyant que les trois éléments sensibles soient déphasés l'un par rapport à l'autre d'un angle mécanique permettant de fournir trois signaux électriques déphasés de 120° électriques, il est possible de commander la commutation entre les phases du moteur au moment opportun.
Mais ce type de réalisation peut provoquer des modulations du couple du moteur qui sont notamment dues :
  • au couple de réluctance du moteur ;
  • aux défauts de commutation du courant d'une phase à l'autre en fonction de la vitesse de rotation du moteur ;
  • à l'absence de chevauchement des FEM trapézoïdales.
On connaít, notamment du document FR-2 749 452, un dispositif de commande d'un moteur électrique à commutation électronique qui permet de s'affranchir partiellement des défauts de couple liés à la commutation du courant d'une phase à l'autre.
Mais, pour s'affranchir de la modulation de couple liée à la conception du moteur (couple de réluctance et absence de chevauchement des FEM trapézoïdales), il devient alors nécessaire de connaítre finement la position absolue du rotor pour contrôler le courant dans les phases en fonction de la position du rotor.
Une telle stratégie de commande nécessite donc un capteur supplémentaire donnant une position haute résolution en plus de celui pilotant la commutation.
Ce type de solution, en prévoyant deux capteurs, conduit à des contraintes d'intégration importantes et à un coût non optimisé. En outre, elle peut être pénalisante en terme d'inertie mécanique du rotor.
L'invention vise notamment à résoudre ces inconvénients en proposant un dispositif de commutation comprenant un codeur à deux pistes mobile en rotation et un capteur unique fixe en rotation qui est apte à délivrer d'une part des signaux de commutation du courant dans les phases et d'autre part des signaux de position haute résolution permettant le pilotage du courant alimentant les phases, et ce avec une résolution suffisamment fine pour éviter les modulations de couple du moteur.
A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention propose un dispositif de commande d'un moteur à commutation électronique comprenant P phases et N paires de pôles, ledit dispositif comprenant :
  • un codeur multipolaire circulaire destiné à effectuer, conjointement au rotor du moteur, une pluralité de tours autour de son axe de rotation, ledit codeur comprenant une piste multipolaire principale et une piste multipolaire de commutation comprenant 2*P*N singularités équiréparties angulairement, les pistes principale et de commutation étant concentriques sur le codeur ;
  • un capteur fixe disposé en regard et à distance d'entrefer du codeur, comprenant au moins trois éléments sensibles dont au moins deux sont positionnés en regard de la piste principale de sorte à délivrer deux signaux électriques S1, S2 périodiques en quadrature et au moins un est positionné en regard de la piste de commutation de sorte à délivrer un signal électrique S3, le capteur comprenant un circuit électronique apte, à partir des signaux S1, S2 et S3, à délivrer des signaux digitaux A, B carrés en quadrature et C sous forme de 2*P*N impulsions par tour du codeur ;
  • un circuit de commutation des courants dans les enroulements de phase du moteur comportant 2*P*N interrupteurs ;
  • un circuit de commande du circuit de commutation qui :
    • à partir du signal C fournit des signaux de commutation des interrupteurs ; et
    • à partir des signaux A, B et en fonction d'une première consigne de courant définit une deuxième consigne de courant qui pilote le courant alimentant les enroulements de phase du moteur.
Selon un deuxième aspect, l'invention propose un procédé d'utilisation d'un tel dispositif de commande dans lequel les signaux de commande permettent, en fonction d'une logique de commutation prédéterminée, d'actionner les interrupteurs deux à deux alternativement, le passage de l'actionnement de deux interrupteurs aux deux suivants s'effectuant à chaque détection d'une impulsion électrique du signal C.
Selon un troisième aspect, l'invention propose un roulement destiné à permettre la rotation du rotor d'un moteur à commutation électronique comprenant P phases et N paires de pôles ou celle d'un organe mis en rotation par ledit rotor, ledit roulement comprenant une bague fixe, une bague tournante et des corps roulants disposés entre lesdites bagues, dans lequel :
  • est associé à la bague tournante un codeur multipolaire circulaire comprenant une piste multipolaire principale et une piste multipolaire de commutation comprenant 2*P*N singularités équiréparties angulairement, les pistes principale et de commutation étant concentriques sur le codeur ; et
  • est associé à la bague fixe un capteur fixe disposé en regard et à distance d'entrefer du codeur, comprenant au moins trois éléments sensibles dont au moins deux sont positionnés en regard de la piste principale de sorte à délivrer deux signaux électriques A, B périodiques en quadrature et au moins un est positionné en regard de la piste de commutation de sorte à délivrer un signal électrique C sous forme de 2*P*N impulsions électriques par tour du codeur, le signal C étant destiné à fournir des signaux de commutation au moteur et les signaux A, B étant destinés, en fonction d'une première consigne de courant, à piloter le courant alimentant le moteur.
D'autres objets et avantages de l'invention apparaítront au cours de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
  • la figure 1 est une représentation synoptique d'un dispositif de commande d'un moteur à commutation électronique comprenant 3 phases et une paire de pôles ;
  • la figure 2 est une vue schématique de face d'un codeur utilisable dans le dispositif de commande de la figure 1 ;
  • la figure 3 représente les signaux A, B et C délivrés par le capteur lors de la rotation du codeur représenté sur la figure 2 ;
  • les figure 4a et 4b représentent un signal C, une logique de commutation commandée par ce signal, le séquencement des interrupteurs ainsi que le courant dans les phases correspondantes, respectivement pour une rotation dans le sens anti horaire et horaire du rotor ;
  • la figure 5a représente sous forme vectorielle les positions relatives du champ statorique, du champ rotorique et des impulsions pour la logique de commutation des figures 4a et 4b ;
  • les figures 5b et 5c, analogues à la figure 5a, représentent les étapes de la procédure d'initialisation de la position du rotor ;
  • la figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'un roulement suivant l'invention.
L'invention concerne un dispositif de commande d'un moteur à commutation électronique 1 ou moteur brushless comprenant P phases.
Ce type de moteur comprend typiquement un rotor 2 portant N paires de pôles magnétiques Nord/Sud et un stator 3 portant P bobines B1-B3 formées respectivement d'un enroulement de phase, le rotor 2 étant mis en rotation de façon connue en commandant l'alimentation électrique dans les P enroulements de phases.
Sur la figure 1 est représenté un schéma synoptique d'un dispositif de commande d'un tel moteur 1 à trois phases et une paire de pôles.
Le dispositif comprend un codeur multipolaire circulaire 4 destiné à effectuer, conjointement au rotor 2, une pluralité de tours autour de son axe de rotation.
Le codeur 4 comprend une piste principale 4a et une piste de commutation 4b comprenant 2*P*N singularités 4b1-4b6 équiréparties angulairement, les pistes principale 4a et de commutation 4b étant disposées concentriquement sur le codeur 4.
Dans un exemple particulier, le codeur 4 est formé d'un anneau magnétique multipolaire sur lequel est aimantée une pluralité de paires de pôles Nord et Sud 5 équiréparties avec une largeur angulaire constante de sorte à former les pistes principale 4a et de commutation 4b, une singularité magnétique 4b1-4b6 de la piste de commutation 4b étant formée de deux paires de pôles qui sont différentes des autres.
Dans le mode de réalisation particulier représenté sur la figure 2, les pistes principale 4a, disposée vers l'intérieur de l'anneau, et de commutation 4b, disposée vers l'extérieur de l'anneau, comprennent 24 paires de pôles. Les paires de pôles 5 de la piste de commutation 4b sont en avance de phase d'une valeur , par exemple égale à un huitième de période, par rapport à celles de la piste principale 4a.
Dans ce cas où P=3 et N=1, la piste de commutation 4b comprend 6 singularités magnétiques 4b1-4b6 espacées de deux paires de pôles les unes des autres. Chaque singularité est formée de deux paires de pôles 5, la largeur des pôles étant agencée pour qu'ils soient respectivement déphasés de , 0, - et 0 par rapport aux pôles correspondants de la piste principale 4a. Ainsi, comme on le verra par la suite, chaque impulsion du signal C correspond à la détection d'une inversion de déphasage entre la piste principale 4a et la piste de commutation 4b.
Le dispositif de commande comprend en outre un capteur 6 fixe disposé en regard et à distance d'entrefer du codeur 4.
Le capteur 6 comprend au moins trois éléments sensibles dont au moins deux sont positionnés en regard de la piste principale 4a et au moins un est positionné en regard de la piste de commutation 4b.
Dans un exemple particulier, les éléments sensibles sont choisis parmi le groupe comprenant les sondes à effet Hall, les magnétorésistances, les magnétorésistances géantes.
Le capteur 6 utilisé est apte à délivrer deux signaux électriques S1, S2 périodiques en quadrature par l'intermédiaire des éléments sensibles disposés en regard de la piste principale 4a et un signal électrique S3 par l'intermédiaire des éléments sensibles disposés en regard de la piste de commutation 4b.
Le principe d'obtention des signaux S1 et S2 à partir d'une pluralité d'éléments sensibles alignés est par exemple décrit dans le document FR-2 792 403 issu de la demanderesse.
Mais des capteurs 6 comprenant deux éléments sensibles qui sont aptes à délivrer les signaux S1 et S2 sont également connus.
Le capteur 6 comprend en outre un circuit électronique qui, à partir des signaux S1, S2 et S3, délivre des signaux digitaux A, B carrés en quadrature et C sous forme de 6 (P=3 et N=1) impulsions électriques TP1-TP6 par tour du codeur 4 (voir figure 3).
Un principe d'obtention des signaux digitaux A, B et C, ainsi que différents modes de réalisation des singularités magnétiques 4b1-4b6, sont décrits dans les documents FR-2 769 088 et EP-0 871 014.
Par un traitement électronique adapté des signaux A, B et C, il est possible d'obtenir finement la vitesse de rotation, la position angulaire et/ou le sens de rotation du codeur 4 par rapport au capteur 6.
Suivant une réalisation, le capteur 6 comprend en outre un interpolateur, par exemple du type décrit dans le document FR-2 754 063 issu de la demanderesse, permettant d'augmenter la résolution des signaux de sortie.
Le capteur 6 peut être intégré sur un substrat en silicium ou équivalent par exemple AsGa, de sorte à former un circuit intégré et personnalisé pour application spécifique, circuit parfois désigné sous le terme ASIC pour faire référence au circuit intégré conçu partiellement ou complètement en fonction des besoins.
Bien que la description soit faite en relation avec un ensemble codeur/capteur magnétique, il est également possible de mettre en oeuvre l'invention de façon analogue en utilisant une technologie de type optique. Par exemple, le codeur 4 peut être formé d'une cible en métal ou en verre sur laquelle les pistes de référence et de commutation ont été gravées de sorte à former un motif optique analogue au motif magnétique multipolaire exposé ci-dessus, les éléments sensibles étant alors formés de détecteurs optiques.
Le dispositif de commande comprend en outre un circuit de commutation 7 des courants dans les enroulements de phase du moteur 1.
Le circuit de commutation 7 comprend 2*P*N interrupteurs T1-T6, par exemple formés chacun d'un transistor à effet de champ de type MOSFET fonctionnant à 20 kHz, qui sont disposés en pont de sorte à alimenter les enroulements de phases de façon appropriée.
Les 2*P*N interrupteurs T1-T6 peuvent être actionnés deux à deux suivant 2*P*N états possibles, le passage d'un état à un autre étant commandé par la détection d'une des 2*P*N impulsions TP1-TP6 du signal C.
Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, le dispositif de commutation 7 comprend 6 interrupteurs T1-T6 qui permettent d'alimenter les trois enroulements de phase avec respectivement un courant I1, I2 et I3, I1 + I2 + I3 étant égal à 0.
La commande du dispositif de commutation 7, c'est à dire l'actionnement sélectif des interrupteurs T1-T6, est effectuée par un circuit de commande 8 qui :
  • à partir du signal C fournit des signaux de commutation de la pluralité d'interrupteurs T1-T6 ; et
  • à partir des signaux A, B et en fonction d'une première consigne de courant I* définit une deuxième consigne de courant Iref qui pilote le courant Im alimentant les enroulements de phase du moteur 1.
La consigne de courant I* peut être issue par exemple d'une boucle d'asservissement en vitesse du rotor 2, d'une boucle d'asservissement en position du rotor 2 ou d'une mesure du couple devant être appliqué par le rotor 2 sur l'organe mécanique.
La consigne I* est alimentée dans un circuit électronique 9 qui, à partir de cette consigne, introduit une modulation de la consigne Iref en fonction de la position du rotor issue des signaux A et B, cette modulation étant d'amplitude fonction de I* et en opposition de phase par rapport à la modulation de couple intrinsèque au moteur 1, afin d'obtenir un couple utile du moteur 1 exempt de modulation.
Dans le mode de réalisation représenté, le circuit de commande 8 comprend une boucle de régulation comprenant un régulateur 10, par exemple de type PID (proportionnel intégral dérivé), une commande à largeur variable (PWM) 11 fournissant un signal carré à 20 kHz dont le rapport cyclique est commandé par le régulateur 10 et un comparateur 22 comparant Im à Iref issu du circuit électronique 9.
De façon connue, la boucle de régulation permet, à partir de Iref, de moduler le courant dans les enroulements de phase en fonction de la position du rotor 2 de sorte à obtenir un couple du moteur constamment égale à la consigne I*.
Le circuit de commande 8 peut être réalisé sous la forme d'un seul microprocesseur 12 intégrant au moins une logique de commutation du circuit de commutation 7 qui détermine la succession des ouvertures/fermetures des différents interrupteurs T1-T6.
En variante, la boucle de régulation peut être réalisée sous forme analogique.
Selon une réalisation, le circuit de commande 8, en comparant le courant Im alimentant le moteur à la consigne de courant Iref, permet de moduler en largeur et en durée les signaux de commutation par l'intermédiaire d'une fonction logique ET 13.
Ainsi, à chaque détection d'une des 2*P*N impulsions TP1-TP6 du signal C, les signaux de commutation modulés en largeur et en durée commandent sélectivement la fermeture de deux interrupteurs choisis dans la logique de commutation de sorte à alimenter les deux enroulements de phase correspondants avec le courant régulé Im.
Les instants de commutation de phases peuvent être prévus lors de la détection du front montant ou descendant de l'impulsion TP1-TP6. En variante, et pour améliorer la précision de la commutation, on peut prévoir que le front montant soit utilisé dans un sens de rotation et le front descendant dans l'autre sens.
Les figures 4a et 4b représentent, dans le cadre de la réalisation représentée sur la figure 1, une logique de commutation des bobines, le séquencement des interrupteurs T1-T6 ainsi que le courant I1-I3 dans les phases correspondantes, respectivement pour une rotation du rotor 2 anti horaire et horaire.
Suivant cette réalisation, à chaque détection d'une impulsion TP1-TP6 du signal C les interrupteurs T1 et T5 (I1=-I2, I3=0), T1 et T6 (I1=-I3, I2=0), T2 et T6 (I2=-I3, I1=0), T2 et T4 (I2=-I1, I3=0), T3 et T4 (I3=-I1, I2=0), T3 et T5 (I3=-I2, I1=0), T1 et T5 (I1=-I2, I3=0), etc...sont alternativement actionnés pour une rotation anti horaire.
Dans le cas d'une rotation horaire les interrupteurs, T1 et T6 (I1=-I3, I2=0), T1 et T5 (I1=-I2, I3=0), T3 et T5 (I3=-I2, I1=0), T3 et T4 (I3=-I1, I2=0), T2 et T4 (I2=-I1, I3=0), T2 et T6 (I2=-I3, I1=0), T1 et T6 (I1=-I3, I2=0), etc...sont alternativement actionnés.
Il en résulte les six positions (a)-(f) du champ statorique représentées sur les figures 5a à 5c et indiquées sur les figures 4a, 4b. Ces positions sont parcourues suivant l'ordre a, b, c, d, e, f, a etc... pour une rotation anti horaire avec passage de l'une à l'autre de ces positons par détection respectivement des impulsions TP1, TP2, TP3, TP4, TP5, TP6, TP1, etc...
Dans le cas d'une rotation horaire, les positions du champ statorique sont parcourues suivant l'ordre b, a, f, e, d, c, b, etc... avec passage de l'une à l'autre de ces positions par détection respectivement des impulsions TP4, TP3, TP2, TP1, TP6, TP5, TP4, etc...
Le fonctionnement du dispositif de commande de la figure 1 est alors le suivant :
  • le moteur 1 est alimenté par un courant Im régulé par la boucle de régulation de sorte à permettre la mise en rotation du rotor 2 et donc celle du codeur 4 associé ;
  • le capteur 6 délivre les signaux A, B représentatifs notamment de la position du rotor 2 et le signal C sous forme de 6 impulsions TP1-TP6 par tour ;
  • à chaque détection d'une impulsion TP1-TP6, le microprocesseur 12 ferme sélectivement deux interrupteurs T1-T6 en fonction de la logique de commutation sélectionnée ;
  • les signaux A, B, représentatifs notamment de la position du rotor 2, permettent, en fonction de la première consigne de courant I* et par l'intermédiaire du circuit de commande 8, le pilotage du courant Im alimentant le moteur 1 de sorte à limiter les modulations de celui-ci.
Dans un exemple particulier (figure 4a, 4b, 5a-5c), la logique de commutation est réalisée de sorte que le champ rotorique soit déphasé du champ statorique d'un angle compris entre 60° et 120° de sorte à optimiser le couple fourni par le moteur 1.
Dans le cas où le codeur 4 ne serait pas indexé parfaitement par rapport au rotor, c'est à dire que la position des impulsions ne correspond pas aux positions idéales de commutation représentées sur les figures 5a-5c, il est possible, en sortie de chaíne et sur un banc dédié, de mémoriser le décalage qui existe entre la position des impulsions TP1-TP6 et celles souhaitées pour les commutations.
A cet effet, les signaux A, B représentatifs de la position du rotor sont utilisés pour mesurer le déphasage entre le passage à zéro des forces contre électromotrices du moteur 1 et le passage des impulsions de référence TP1-TP6.
Cette valeur de déphasage peut être mémorisée dans une mémoire de type EEPROM ou flash du circuit de commande 8 de sorte, par recalage, à permettre la détection des impulsions TP1-TP6 aux positions de commutation souhaitées.
On décrit ci-dessous un procédé d'utilisation d'un dispositif de commande comprenant en outre des moyens d'initialisation, par exemple intégrés dans le dispositif de commande 8, de la position du rotor 2 permettant d'adapter les signaux de commutation au sens de rotation voulu pour le rotor 2.
Lors de la mise sous tension du dispositif, ce procédé comprend une procédure d'initialisation de la position du rotor 2 qui comprend les étapes prévoyant d'abord de sélectionner une logique de commutation faisant tourner le champ statorique dans un sens.
Puis, on pilote le circuit de commande 8 selon le premier état de cette logique afin d'actionner deux interrupteurs T1-T6 pendant un laps de temps donné pour alimenter deux phases du moteur avec un courant linit suffisant pour mettre en rotation le rotor 2.
Le laps de temps peut être typiquement de 30 ms et le courant linit doit être choisi, par exemple par simulation, pour, en fonction de l'application considérée, permettre la rotation du rotor 2. Le laps de temps peut être optimisé selon l'inertie du système.
Ainsi, trois cas de figures peuvent se produire, soit le rotor 2 ne tourne pas, soit le rotor 2 tourne dans le même sens que le champ statorique, soit le rotor 2 tourne en sens inverse du champ statorique.
La détermination du cas de figure est effectuée par analyse dans le circuit de commande 8 des signaux A, B.
Les deux premiers cas ne permettent pas d'initialiser la position du rotor 2 car soit le courant d'initialisation linit n'a pas d'effet (champs statorique et rotorique en opposition de phase) soit les champs rotorique et statorique ne se croiseront pas lors du défilement des états de la logique de commutation.
Ainsi, si le rotor 2 ne tourne pas, on passe au deuxième état de la logique de commutation jusqu'à détection d'une rotation du rotor 2.
Et, si le rotor 2 tourne dans le même sens que le champ statorique, on change la logique de commutation, c'est à dire qu'on fait tourner le champ statorique dans l'autre sens.
Lorsque le rotor 2 tourne en sens inverse du champ statorique, on fait défiler les états de la logique de commutation jusqu'à détection d'une inversion du sens de rotation du rotor 2.
Lors de cette inversion du sens de rotation du rotor 2, on passe à l'état n-2 de la logique de commutation pour détecter une nouvelle inversion du sens de rotation du rotor 2.
Dans l'exemple représenté sur les figures, le champ rotorique est initialement en position P1 (voir figure 5b) et la logique de commutation induit une rotation anti horaire du champ statorique. Le premier état de cette logique de commutation place le champ statorique en (a) ce qui provoque la rotation du rotor 2 dans le sens horaire sous l'action du couple induit par l'angle formé entre les champs rotorique et statorique.
Puis, le deuxième état de la logique de commutation (position b) induit une rotation du rotor 2 dans le même sens jusqu'à la position P2 (voir figure 5c).
Le troisième état de la logique de commutation induit le champ statorique (c) qui est en avance de phase par rapport à la position P2 ce qui conduit à une inversion du sens de rotation du rotor 2.
Ensuite, l'état n-2, c'est à dire la position (a), est appliqué pour le champ statorique de sorte à refaire tourner le rotor 2 dans le sens horaire et l'impulsion TP3 est détectée.
De ces étapes, on déduit la position relative P3 du rotor 2 par rapport à l'impulsion TP3, cette détermination pouvant être fiabilisée en réitérant les premier (a) et troisième (c) états de la logique de commutation de sorte à faire osciller le rotor 2 autour de la position (b).
L'initialisation de la position du rotor 2 permet, lors du fonctionnement du dispositif de commande, de sélectionner la logique de commutation en fonction du sens de rotation voulu pour le rotor 2, ledit sens S étant injecté dans le circuit de commande 8.
En effet, dans l'exemple représenté sur la figure 5c, l'information de la position du rotor 2 peut être mémorisée dans le circuit de commande 8 en sachant que, compte tenu de la position P3 du rotor par rapport à TP3 :
  • pour une rotation anti horaire, on alimente le stator 3 de sorte à obtenir le champ statorique d puis le déroulement e, f, a, b, c, etc... est effectué à chaque détection d'une nouvelle impulsion TP1-TP6 ;
  • pour une rotation horaire, on alimente le stator 3 de sorte à obtenir le champ statorique (a), la détection de TP3 induit le passage de (a) à (f) puis le déroulement e, d, c, b, a, etc...est effectué à chaque détection d'une nouvelle impulsion TP1-TP6.
Ainsi, cette procédure permet de sélectionner la logique de commutation en fonction du sens de rotation voulu pour le rotor 2 tout en gardant un déphasage optimum entre les champs statorique et rotorique.
Selon une réalisation représentée sur la figure 6, le codeur 4 est associé à la bague tournante 14 d'un roulement 15 et le capteur 6 est associé à la bague fixe 16 dudit roulement.
Ainsi, l'invention propose un roulement 15 intégrant le codeur 4 et le capteur 6 du dispositif de commande, ledit roulement pouvant assurer la rotation du rotor 2 ou celle d'un organe mis en rotation par le rotor 2.
Le codeur 4 peut être associé à la bague tournante 14 par l'intermédiaire d'une armature annulaire 17 sur laquelle le codeur 4 est surmoulé.
La figure 6 représente un mode de réalisation de l'association du capteur 6 sur la bague extérieure fixe 16 du roulement 15. Le capteur 6 est associé à un support 18, par exemple de type PCB, portant d'une part l'ASIC 19 et d'autre part la connectique d'entrée/sortie 20 du capteur 6. L'ASIC 19 est positionné de sorte que les éléments sensibles soient en regard et à distance d'entrefer des pistes du codeur 4. Par ailleurs, la connectique d'entrée/sortie 20 est positionnée dans un logement 21 s'étendant radialement au roulement 15.
D'autres réalisations de l'association d'un codeur 4 et d'un capteur 6 sur un roulement 15 peuvent être envisagées, notamment celles décrites dans les documents FR-2 794 504 et FR-2 700 588 issus de la demanderesse.
En variante, on peut prévoir que le capteur 6 soit dissocié de la bague fixe 16 du roulement 15 tout en assurant le positionnement des éléments sensibles en regard et à distance d'entrefer des pistes du codeur 4.

Claims (17)

  1. Dispositif de commande d'un moteur à commutation électronique (1) comprenant P phases et N paires de pôles, ledit dispositif comprenant :
    un codeur multipolaire circulaire (4) destiné à effectuer, conjointement au rotor (2) du moteur (1), une pluralité de tours autour de son axe de rotation, ledit codeur (4) comprenant une piste multipolaire principale (4a) et une piste multipolaire de commutation (4b) comprenant 2*P*N singularités (4b1-4b6) équiréparties angulairement, les pistes principale (4a) et de commutation (4b) étant concentriques sur le codeur (4) ;
    un capteur fixe (6) disposé en regard et à distance d'entrefer du codeur (4), comprenant au moins trois éléments sensibles dont au moins deux sont positionnés en regard de la piste principale (4a) de sorte à délivrer deux signaux électriques S1, S2 périodiques en quadrature et au moins un est positionné en regard de la piste de commutation (4b) de sorte à délivrer un signal électrique S3, le capteur (6) comprenant un circuit électronique apte, à partir des signaux S1, S2 et S3, à délivrer des signaux digitaux A, B carrés en quadrature et C sous forme de 2*P*N impulsions (TP1-TP6) par tour du codeur;
    un circuit de commutation (7) des courants dans les enroulements de phase du moteur (1) comportant 2*P*N interrupteurs (T1-T6) ;
    un circuit de commande (8) du circuit de commutation (7) qui :
    à partir du signal C fournit des signaux de commutation des interrupteurs (T1-T6) ; et
    à partir des signaux A, B et en fonction d'une première consigne de courant (I*) définit une deuxième consigne de courant (Iref) qui pilote le courant (Im) alimentant les enroulements de phase du moteur (1).
  2. Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de commande (8) comprend une boucle de régulation commandée par la deuxième consigne de courant (Iref) issue d'un circuit électronique (9), ledit circuit de commande (8) étant apte à moduler en largeur et en durée les signaux de commutation par l'intermédiaire d'une fonction logique ET (13).
  3. Dispositif de commande selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit de commande (8) comprend un microprocesseur (12) intégrant au moins une logique de commutation du circuit de commutation (7).
  4. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le codeur (4) est formé d'un anneau magnétique multipolaire sur lequel est aimantée une pluralité de paires de pôles (5) Nord et Sud équirépartis avec une largeur angulaire constante de sorte à former les pistes principale (4a) et de commutation (4b), une singularité magnétique (4b1-4b6) étant formée de deux paires de pôles qui sont différentes des autres.
  5. Dispositif de commande selon la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments sensibles sont choisis parmi le groupe comprenant les sondes à effet Hall, les magnétorésistances, les magnétorésistances géantes.
  6. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le codeur (4) est formé d'une cible sur laquelle les pistes de référence (4a) et de commutation (4b) ont été gravées de sorte à former un motif optique analogue à un motif magnétique multipolaire, les éléments sensibles étant alors formés de détecteurs optiques.
  7. Dispositif de commande selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le capteur (6) comprend une pluralité d'éléments sensibles alignés qui sont disposés en regard et à distance d'entrefer de la piste principale (4a).
  8. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le capteur (6) comprend un interpolateur augmentant la résolution des signaux de sortie.
  9. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le capteur (6) est intégré dans un circuit de type ASIC (19).
  10. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le codeur (4) est associé à la bague tournante (14) d'un roulement (15) permettant la rotation du rotor (2) ou celle d'un organe mis en rotation par le rotor (2).
  11. Dispositif de commande selon la revendication 10, caractérisé en ce que le capteur (6) est associé à la bague fixe (16) du roulement (15).
  12. Dispositif de commande selon la revendication 10, caractérisé en ce que le capteur (6) est dissocié de la bague fixe (16) du roulement (15).
  13. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le circuit de commande (8) comprend des moyens d'initialisation de la position du rotor (2) permettant d'adapter les signaux de commutation au sens de rotation voulu pour le rotor (2).
  14. Procédé d'utilisation d'un dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel les signaux de commande permettent, en fonction d'une logique de commutation prédéterminée, d'actionner les interrupteurs (T1-T6) deux à deux alternativement, le passage de l'actionnement de deux interrupteurs (T1-T6) aux deux suivants s'effectuant à chaque détection d'une impulsion électrique (TP1-TP6) du signal C.
  15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend une étape préalable d'indexation du codeur (4) dans laquelle le déphasage est mémorisé dans une mémoire de type EEPROM ou flash du circuit de commande (8).
  16. Procédé selon revendication 14 ou 15 lorsqu'elle dépend de la revendication 13, caractérisé en ce que, lors de la mise sous tension du dispositif, une procédure d'initialisation de la position du rotor (2) est effectuée, ladite procédure comprenant les étapes prévoyant de :
    a) sélectionner une logique de commutation faisant tourner le champ statorique dans un sens ;
    b) piloter le circuit de commande (8) selon un premier état de cette logique afin d'actionner deux interrupteurs (T1-T6) pendant un laps de temps donné pour alimenter deux phases du moteur (1) avec un courant (linit) suffisant pour mettre en rotation le rotor (2) ;
    c) détecter, par analyse des signaux A, B, le sens de rotation du rotor (2) sous l'action de ce courant (linit) ;
    d) si le rotor (2) ne tourne pas, passer au deuxième état de la logique de commutation puis réitérer les étapes précédentes ;
    e) si le rotor (2) tourne dans le même sens que le champ statorique, changer la logique de commutation puis réitérer les étapes précédentes ;
    f) lorsque le rotor (2) tourne en sens inverse du champ statorique, réitérer les étapes b) et c) avec les états successifs de la logique de commutation jusqu'à inversion du sens de rotation du rotor (2) ;
    g) lors de l'inversion du sens de rotation du rotor (2), passer à l'état n-2 de la logique de commutation pour détecter une nouvelle inversion du sens de rotation du rotor (2) ;
    h) détecter la position de l'impulsion (TP1-TP6) du signal C enregistré lors de l'étape g) de sorte à obtenir la position relative du rotor (2) par rapport à cette impulsion ;
    ledit procédé permettant, en fonction du sens de rotation voulu pour le rotor (2), de sélectionner la logique de commutation correspondante.
  17. Roulement (15) destiné à assurer la rotation du rotor (2) d'un moteur à commutation électronique (1) comprenant P phases et N paires de pôles (5) ou celle d'un organe mis en rotation par ledit rotor (2), ledit roulement (15) comprenant une bague fixe (16), une bague tournante (14) et des corps roulants disposés entre lesdites bagues (16, 14), dans lequel :
    est associé à la bague tournante (14) un codeur multipolaire circulaire (4) comprenant une piste multipolaire principale (4a) et une piste multipolaire de commutation (4b) comprenant 2*P*N singularités (4b1-4b6) équiréparties angulairement, les pistes principale (4a) et de commutation (4b) étant concentriques sur le codeur (4) ; et
    est associé à la bague fixe (16) un capteur (6) fixe disposé en regard et à distance d'entrefer du codeur (4), comprenant au moins trois éléments sensibles dont au moins deux sont positionnés en regard de la piste principale (4a) de sorte à délivrer deux signaux digitaux A, B carrés en quadrature et au moins un est positionné en regard de la piste de commutation (4b) de sorte à délivrer un signal C sous forme de 2*P*N impulsions (TP1-TP6) par tour du codeur (4), le signal C étant destiné à fournir des signaux de commutation au moteur (1) et les signaux A, B étant destinés, en fonction d'une consigne de courant (I*), à piloter le courant (Im) alimentant le moteur (1).
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